改性硅酸盐胶粘剂的制备及性能
资讯类型:行业新闻 加入时间:2009年7月6日15:3
                              改性硅酸盐胶粘剂的制备及性能
                             徐锋1,2,朱丽华2,刘成伦3,徐龙君1
(重庆大学1.资源及环境科学学院; 3.化学化工学院,重庆400044; 2.黑龙江科技学院安全工程学院,黑龙江哈尔滨150027)
    摘要:以K2Ti6O13晶须为改性剂,通过调节胶液的pH值制备了一种改性硅酸盐胶粘剂;用AG-250KNI电子精密材料试验机和DTG-60H热分析仪对胶粘剂的力学性能和耐热性能进行了表征;用常温水浸试验和腐蚀性试验对胶粘剂的耐水性和腐蚀性进行了评价。结果表明:该胶粘剂粘接强度大、耐热性能好,特别是耐水性明显优于现有硅酸盐胶粘剂的,且对钢铁材料无腐蚀性,是一种综合性能优异的环保型胶粘剂产品。
    关键词:硅酸盐胶粘剂;改性; K2Ti6O13晶须
    中图分类号:TB321 文献标志码:A 文章编号:1000-3738(2009)02-0043-03
    0 引 言
    现代工业生产中经常要在高温下使用玻璃、陶瓷、金属等无机材料,其加工性能与有机高分子材料 相比差得多,特别是陶瓷,加工性能更差。若想制造 结构复杂的零件,不仅在技术上很困难,而且成本昂贵。若用胶粘剂将无机材料粘结成结构复杂的零件并能在一定条件下使用,经济效益将非常明显。但大多数有机胶粘剂都不耐高温,且多为非环境友好 产品。相比之下,硅酸盐无机胶粘剂具有成本低、耐高温、对环境无污染的优点。因此,硅酸盐无机胶粘剂在人们的日常生活及工农业生产的各个领域都得到了广泛的应用。但传统的硅酸盐胶粘剂也存在着粘接强度低、耐水性差、腐蚀粘接基材等缺点,必须对其改性。
    粘土和石棉粉均可作为胶粘剂的改性剂,近年 来,也有用晶须改性的报道[1]。晶须是在人工控制的条件下,以单晶结构形式生长的尺寸细小的高纯 度针状纤维材料,其晶体结构完整、内部缺陷较少, 强度和模量均接近完整晶体材料的理论值,是目前发现的固体的最强形式。研究表明,它可以有效地 改善材料的力学性能、耐热性能、摩擦磨损性能 等[2-4]。在各种晶须中K2Ti6O13晶须无毒无害,具有良好的化学稳定性和力学性能,用作改性剂时更容易与基体材料混合均匀。作者初期研究发现, K2Ti6O13晶须在改善硅酸盐胶粘剂的综合性能上优于粘土和石棉粉,所以,作者以K2Ti6O13晶须对硅酸盐无机胶粘剂进行改性,并对其性能进行了表征。
    1 试样制备与试验方法
    1.1 试样制备
    以分析纯TiO2和K2CO3为原料,按文献[5]中 的方法合成K2Ti6O13晶须。所用原料经研磨、过6目筛后将两者按物质的量比5.5∶1配料;干燥后用 XA-1型高速万能粉碎机研磨干混,将混合好的原料放入陶瓷坩埚中,在马弗炉中于1 000℃下进行固相反应,然后随炉冷却到室温。得到的产物为 K2Ti6O13晶须,其形貌如图1所示。
                
    将自制的K2Ti6O13晶须作为胶粘剂的改性组分,按不同质量分数加入到物质量比为(0.3~0.6) ∶1的混合填料(金属氧化物Al2O3和金属铝粉)和固化剂(SiO2)的混合物中,混合均匀后;再将混合物按60%~75%的质量分数加入到模数为2.8、钠钾物质的量比为2的混合胶料(钠、钾水玻璃)中搅拌均匀,调节pH值>9,即得到改性胶粘剂。
    1.2 试验方法
    按GB/T 14518-1993《胶粘剂的pH值测定》取50 mL调好的胶粘剂倒入100 mL的烧杯内,放入25℃的恒温水浴中,待其温度稳定后,测其pH 值,取3个试样的平均值。
    用文献[6]的方法测定胶粘剂的腐蚀性。试验 温度为40,60和80℃,被腐蚀试样为30 mm×30 mm×1 mm的Q235钢片,试验前上下两平面先用 砂纸磨光并清洗干净。①将一定量的胶粘剂放入 一无盖小容器内,把试样一部分埋入其中,再将无盖 的小容器放入一大的广口容器中,盖紧大容器盖子 并适当密封后,将它放入一定温度的恒温箱中,记为 1#暴露试样。②另将内有1/2蒸馏水的无盖小容 器与内有胶粘剂和试样的无盖小容器一起放入大容 器中,其余操作同①,水温不高于试验温度,记为2# 暴露试样。③3#和4#暴露试样的操作分别同①和 ②,只是胶粘剂在放入大容器之前,已经固化。④ 将与检测试样相同的对比试样放入一个其中无胶粘 剂有螺纹盖的容器内,适当密封后,放入恒温箱中。 采用同样方法,将另一个其中放有蒸馏水的容器和 无胶粘剂的对比试样的大容器,一同放入恒温箱。 分别记为1#对比试样和2#对比试样。每天观察一 次暴露试样和对比试样表面状态的差异,试验进行 5 d后,将暴露试样和对比试样全部取出进行腐蚀 性评价。
力学性能检测按GB/T 11177-1989进行,将 改性硅酸盐胶粘剂粘接固化完全的金属(碳钢)套接 试样用日本岛津AG-250KNI型电子精密材料试验 机测试其粘接强度。
    耐水性试验是将固化的金属套接试样置于室温自来水中浸泡,将粘接强度下降到原强度80%的时间定为耐水时间。用称量法测定浸泡24 h和30 d后的吸水率,并计算浸泡48 h后的粘接强度保持率。耐热性试验是将固化后的改性胶粘剂试样研磨成粉末状,在日本岛津DTG-60H型热分析仪 (DTA-TG)上进行分析。
    2 试验结果与讨论
    2.1 K2Ti6O13晶须含量对胶粘剂粘接性能的影响由图2可见,用含9.6%(质量分数,下同) K2Ti6O13晶须的胶粘剂粘接固化完全的金属套接试样所承受的最大载荷可达7.9 kN。图3表明,加入K2Ti6O13晶须后,胶粘剂的粘接强度得到了显著提高,当K2Ti6O13晶须含量为9.6%时,其粘接强度达到最大为25.6 MPa。所以较佳的晶须添加量为 9·6%,以下试样中晶须含量均选为9.6%。
             
    2.2 胶粘剂的腐蚀性
    在40,60和80℃时加入9.6%晶须的改性胶 粘剂对试样的腐蚀程度近似,只是80℃的腐蚀速率 较快。表1表明,该胶粘剂无论是固化后还是固化过程中对试样都没有明显的腐蚀作用,2#暴露试样 之所以比2#对比试样锈蚀严重,是因为胶粘剂在固 化过程中会蒸发出一些水分,使试验容器中的湿度 更大,更易使氧在试样表面形成微小的原电池,发生 吸氧腐蚀。
         
    观察1#和2#试样埋入胶粘剂部分的表面未见 有腐蚀现象。可见该胶粘剂对试样没有腐蚀破坏作 用,因此粘接钢铁材料时无需涂覆底漆,从而有效解 决了刷涂防护漆导致的粘接强度降低的问题。 该胶粘剂不腐蚀钢铁材料的原因是其pH值为 12.42,而钢铁材料在pH值为9~13范围内的碱性 溶液中具有钝化倾向。也就是说,碱性胶粘剂使试样表面形成了一层致密的钝化膜,从而达到了防腐 的目的。
    2.3 胶粘剂的耐水性
    由图3可见,晶须含量在12%以内时,胶粘剂的耐水时间与晶须含量成正比。K2Ti6O13晶须的加入使胶粘剂具有优良的耐水性,这是因为加入的K2Ti6O13晶须在胶粘剂的固化体系中能形成类似于编织袋的纵横交错的网状结构,对填料等固体粒子 能够起到锁固的作用。同时,该结构及由TiO6八面体通过共面和共棱连结而成的风洞状结构对抑制碱金属离子的游离也起到了积极的作用[7]。改性硅酸盐胶粘剂的耐水性较好,固化后的试样置于室温自来水中浸泡三个半月,未见胶层有明显破损现象。浸泡24 h和30 d后的吸水率见表2。表3表明,添加9.6%K2Ti6O13晶须改性的硅酸盐胶粘剂水浸48h后的粘接强度保持率优于日本配 方2#水浸24h后的。
          
    2.4 胶粘剂的热稳定性
    由图4可见,DTA曲线在120℃之前有一吸热峰,这可归结为失去吸附水;但在120~1 000℃之 间没有明显的胶粘剂分解的吸(放)热峰,只是体系在不断地吸热。因硅酸盐无机胶粘剂的使用温度一般低于1 000℃,因此,可断定该胶粘剂具有较好的耐热性能。由TG曲线可见在加热的全过程均有少量失重。
                
    3 结 论
    (1)以K2Ti6O13晶须作为改性剂制备的改性硅酸盐胶粘剂,随晶须含量的增加,其粘接性能先提高后降低,在9.6%时达到最大值;其耐水性与晶须含量成正比;较佳的晶须添加量为9.6%。
    (2)含9.6%K2Ti6O13晶须的改性硅酸盐胶粘剂的粘接强度为25.6 MPa;粘接碳钢时,常温水浸48 h后其粘接强度保持率为96.32%。
    (3)此改性胶粘剂在低于1 000℃时可正常使用。
    参考文献:
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    [8] 吕满庚,程苛,朱彬桢.硅酸盐无机胶粘剂的研究[J].南京航 空航天大学学报,1996,28(2):178-181.
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文章来自:中国胶粘剂网
文章作者:网络管理员
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